campi continui

Dinamica dei continui materiali

In Chimica si descrivono tipicamente le interazioni materia – materia. In realtà, infatti, se mettendo insieme due sostanze A e B, queste rimangono tali e non avviene alcuna reazione, ovvero non si ha la formazione di una nuova sostanza C, in altri termini non si ha interazione tra le due sostanze, non si ha proprio alcuna necessità di chiamare in causa gli atomi.
Cioè, in assenza di reazione (interazione) tra la sostanza A e B, queste rimangono completamente caratterizzabili anche senza che vi sia alcun bisogno di ricorrere al concetto di atomo, Per la verità la cosa è un po’ più complessa perché è ben difficile stabilire le proprietà di una sostanza prescindendo dalle sua modalità di interazione, ma è comunque questa l’idea semplificatrice che stiamo utilizzando in questo momento: quella di separare le “cose” dalle loro interazioni. Se invece avviene una reazione tra la sostanza A e la sostanza B, allora sperimentalmente si hanno delle leggi fenomenologiche che si spiegano molto bene in termini  di atomi della sostanza A che interagiscono con atomi della sostanza B.
Infatti le trasformazioni descritte dalla Chimica fanno parte della dinamica dei continui materiali e possono essere anche molto complicate. Per  quanto complessa, però, tale dinamica obbedisce a leggi semplici come quelle seguenti:

Legge dei rapporti costanti (Proust):
In qualsiasi campione di un certo composto, gli elementi( Un elemento è una sostanza che non è possibile scindere in altre sostanze e che non si può ottenere dall’unione di altre sostanze. )

che lo compongono sono presenti in un rapporto in peso definito e costante.
 
Legge delle proporzioni multiple (Dalton):
Se due elementi A e B si combinano a formare diversi composti allora, fissato il peso di A i pesi di B nei diversi composti stanno tra loro in rapporti costituiti da numeri interi piccoli.

Legge dei volumi di combinazione (Gay Lussac):
Nelle reazioni tra gas  nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, i volumi dei reagenti e i volumi dei prodotti stanno tra loro in rapporti costituiti da numeri interi piccoli.

Legge degli equivalenti:
Se A e B due elementi si combinano sia tra loro che con un terzo elemento C. Allora le quantità di A e B che si combinano con una quantità fissa di C si combinano anche tra loro.

Sono proprio queste leggi semplici che spingono a interpretare tutta la dinamica descritta dalla Chimica in termini di interazioni locali e universali tra opportuni quanti. Nascono così le idee di atomo, di ione, di molecola. Attraverso l’uso di tali concetti la complessa dinamica delle interazioni chimiche viene spiegata in termini semplici.
La materia viene ad essere così descritta microscopicamente come un continuo mentre le interazioni materia-materia risultano locali e quantizzate.
Si potrà allora rozzamente dire che un atomo è più un comodo schema concettuale che i chimici usano per descrivere le interazioni tra sostanze che un oggetto materiale (per quanto piccolo) che compone la materia.
Non è solo la materia che interagisce con la materia; anche la luce lo fa; e anche in questo caso l’avvenuta interazione si manifesta principalmente in un cambiamento della materia. Viene allora naturale generalizzare quanto sappiamo dalla Chimica e pensare che, se è avvenuta una modificazione, questa potrà interpretata dicendo un atomo della materia ha  interagito con un “atomo di luce”.
E questo perché, analogamente a quanto avviene per le reazioni squisitamente chimiche, ha senso schematizzare il processo come:

sostanza luce + sostanza materiale → nuova sostanza materiale

Generalmente si è abituati a pensare alla materia come composta da “granellini” e alla luce come composta di onde. Come vedremo questo modo di pensare è troppo ingenuo e andrà completamente rivisto: i “granellini” che chiameremo quanti “compaiono” in modo fondamentale solo nel momento in cui avviene l’interazione, e questo vale sia per la luce che per la materia. In assenza di interazione, invece la descrizione sia per la luce che per la materia è data in termini di campi ondulatori. L’equazione di Klein-Gordon ci conferma che questo modo di vedere le cose è ben fondato dal punto di vista teorico e non solo da quello intuitivo.
I quanti prenderanno nomi diversi a seconda della circostanza in cui avviene l’interazione: i quanti per le reazioni chimiche sono gli atomi o gli ioni, i quanti della radiazione elettromagnetica vengono detti fotoni.